在最終工廠測(cè)試期間(部署到現(xiàn)場(chǎng)之前)測(cè)量系統(tǒng)的功耗是任何產(chǎn)品測(cè)試程序的一個(gè)謹(jǐn)慎部分。但是越來(lái)越強(qiáng)調(diào)將此功能引入產(chǎn)品本身,以便對(duì)電源,電流,電源電壓和能量進(jìn)行“運(yùn)行時(shí)”監(jiān)控。準(zhǔn)確監(jiān)控這些參數(shù)可為調(diào)度維護(hù)和預(yù)測(cè)故障提供有價(jià)值的診斷信息。它還可以幫助確?!熬G色”系統(tǒng)滿足其低功耗目標(biāo)。凌力爾特提供一系列產(chǎn)品,可提供電壓,電流,功率和能量的運(yùn)行時(shí)間測(cè)量。其中包括獨(dú)立監(jiān)視器,如LTC2945,LTC2946和LTC4151,或?qū)⑦@些功能與熱插拔功能相結(jié)合的產(chǎn)品,如LTT4215(用于+ 12V系統(tǒng)),LTT4260(用于+ 48V系統(tǒng))和LT424261(用于-48V系統(tǒng)) 。所有這些設(shè)備基本上都是“芯片上的萬(wàn)用表”,但它們有多準(zhǔn)確?
精度規(guī)格困境
所有這些產(chǎn)品都指明其測(cè)量通道的總不可調(diào)整誤差(TUE),其中TUE是最壞情況誤差, 在所有過(guò)程參數(shù)和溫度下測(cè)量,并包括來(lái)自所有源的錯(cuò)誤,并將其組合到單個(gè)規(guī)范中。它通常被描述為滿量程的百分比。
TUE通過(guò)在單個(gè)數(shù)字表示的所有條件下提供最壞情況誤差的最大界限來(lái)簡(jiǎn)化初步誤差分析。
然而,由于TUE是單一規(guī)格,因此通常會(huì)導(dǎo)致對(duì)測(cè)量的混淆整個(gè)輸入范圍內(nèi)的精度。通常會(huì)錯(cuò)誤地假設(shè)TUE誤差將在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)輸入范圍內(nèi)發(fā)生,從而導(dǎo)致輸入范圍下端的嚴(yán)重不準(zhǔn)確。以LTC2946能量監(jiān)測(cè)器為例,ΔSENSE通道的TUE規(guī)格指定為滿量程的0.6%。雖然這個(gè)值對(duì)于滿量程附近的輸入可能沒問題,但對(duì)于小輸入可能是不可接受的。 TUE只是故事的一部分 - 當(dāng)輸入小于滿量程時(shí),其他保證規(guī)范會(huì)將允許誤差限制為較小的值。
為了闡明輸入范圍內(nèi)的性能,了解各種ADC誤差源是必要的。本文將以配置10.24A電流測(cè)量的LTC2946為例,重點(diǎn)關(guān)注與電源監(jiān)控應(yīng)用最相關(guān)的DC誤差規(guī)范。電流檢測(cè)通道是研究中涉及最多的測(cè)量,因?yàn)樗琇TC2946內(nèi)部的誤差以及檢測(cè)電阻的容差,而電源電流是一個(gè)在系統(tǒng)運(yùn)行期間可能變化很大的參數(shù)。 p>
錯(cuò)誤來(lái)源和規(guī)格
圖1顯示了LTC2946數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格表。與我們的分析相關(guān)的規(guī)格是TUE,滿量程電壓,LSB步長(zhǎng),偏移誤差和INL。
這些規(guī)范包括LTC2946內(nèi)部所有誤差的貢獻(xiàn),包括ADC ,參考,電流檢測(cè)運(yùn)算放大器(用于ΔSENSE通道)和內(nèi)部分壓器(用于SENSE + / V DD 通道)。圖2顯示了LTC2946的框圖,以及外部10mΩ,1%容差檢測(cè)電阻。
此分析的一個(gè)有用概念是傳遞函數(shù)的概念。這是SENSE + 和SENSE - 引腳之間的輸入電壓到數(shù)字輸出代碼的映射。圖3顯示了一個(gè)假設(shè)的完美傳遞函數(shù),其中零輸入產(chǎn)生零計(jì)數(shù)的輸出代碼,102.4mV的滿量程輸入產(chǎn)生4095計(jì)數(shù)的輸出代碼,并且這些點(diǎn)之間存在完美的線性關(guān)系。每個(gè)代碼轉(zhuǎn)換恰好比先前的轉(zhuǎn)換高出25μV。在這個(gè)完美的LTC2496中,永遠(yuǎn)不會(huì)有大于1LSB 1 的誤差。接下來(lái)描述的錯(cuò)誤都是偏離這種理想的。
1 對(duì)于LTC2946,從代碼0到代碼1的理想轉(zhuǎn)換發(fā)生在25μV。一些ADC經(jīng)過(guò)調(diào)整,可在?LSB輸入端實(shí)現(xiàn)理想的轉(zhuǎn)換。
偏移誤差決定了精確測(cè)量小電流的能力
偏移是輸入為零時(shí)LTC2946的輸出代碼。對(duì)于LTC2946,此錯(cuò)誤的最大值為2.1LSB或52.5uV。這相當(dāng)于0.057%的誤差 - 約為TUE規(guī)格的10%。
請(qǐng)注意,偏移量可能為正或負(fù)。如果偏移為正,則輸入為零時(shí)輸出代碼將為非零。如果偏移為負(fù),則ADC將被“鉗位”或“限制”為零,并且輸入端需要一些小電壓才能產(chǎn)生非零輸出。因此,必須使用應(yīng)用于輸入的小的已知電壓來(lái)評(píng)估偏移。從ADC讀數(shù)中減去該電壓以計(jì)算偏移??紤]具有最壞情況負(fù)偏移的LTC2946;施加等于10 LSB(250μV)的電壓將導(dǎo)致輸出代碼為7.9 LSB。從此輸出代碼中減去10個(gè)LSB會(huì)產(chǎn)生-2.1 LSB。類似地,對(duì)于具有正偏移的LTC2946,輸出代碼將為12.1 LSB,減去10 LSB將導(dǎo)致+ 2.1LSB偏移。
確實(shí),施加此電壓允許其他誤差源污染測(cè)量(增益誤差,線性度),但選擇測(cè)試電壓,使偏移誤差仍占主導(dǎo)地位,其他誤差可忽略不計(jì)。
偏移對(duì)我們的10.24A應(yīng)用的影響是,當(dāng)零電流流過(guò)檢測(cè)電阻時(shí),具有正偏移的LTC2946可能指示高達(dá)5.25mA的電流,具有負(fù)偏移的LTC2946可能繼續(xù)讀零直到7.75mA流動(dòng)。當(dāng)電流為零時(shí),檢測(cè)電阻的容差不會(huì)影響電流測(cè)量,對(duì)小電流的影響最小。也就是說(shuō),LTC2946偏移是小電流的主要誤差源。
滿量程誤差決定了準(zhǔn)確測(cè)量大電流的能力
完全 - 標(biāo)度誤差是LTC2946輸出代碼中的誤差,當(dāng)在SENSE輸入上施加理想的102.4mV滿量程電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生該誤差。滿量程誤差包括LTC2946內(nèi)部的所有誤差源:偏移(如前所述),增益誤差和INL(稍后定義)。檢測(cè)輸入的滿量程誤差是根據(jù)輸入電壓指定的。導(dǎo)致滿量程輸出:當(dāng)輸入為103mV時(shí),具有負(fù)滿量程誤差的部分將輸出4095的代碼;當(dāng)輸入為101.8mV時(shí),具有正滿量程誤差的部分將輸出4095的代碼。該規(guī)范可以“反轉(zhuǎn)”以用完美的102.4mV輸入產(chǎn)生的代碼表示。輸入102.4mV可能產(chǎn)生一個(gè)輸出代碼,表示最小值為101.8mV(輸出代碼為4071)和最大值為103mV(輸出代碼為4119)的值。
注意在最大的情況下,輸出代碼將被“鉗制”在4095,就像具有負(fù)偏移的部分的輸出將被鉗位在零的方式相同。在這方面,滿量程誤差類似于偏移誤差,即滿量程誤差是滿量程輸入時(shí)的端點(diǎn)誤差,而偏移誤差是零輸入時(shí)的端點(diǎn)誤差。 LTC2946的滿量程誤差規(guī)格為±0.58% - 略低于0.6%的TUE規(guī)格。
為什么TUE規(guī)格不是0.58%? TUE規(guī)范允許的額外0.02%誤差允許傳遞函數(shù)的非線性,這將在稍后討論。
必須考慮一個(gè)額外的誤差源來(lái)計(jì)算滿量程誤差對(duì)我們的影響。 10.24A應(yīng)用 - 檢測(cè)電阻的容差。流過(guò)1%容差,10mΩ電阻的精確10.24A電流將產(chǎn)生低至10.24 * 0.01 * 0.99 = 92.16mV或高達(dá)10.24 * 0.01 * 1.01 = 103.42mV的電壓。此電壓的誤差將直接增加到LTC2946的滿量程誤差,然后將反映在輸出代碼中。因此,測(cè)得的電流可以低至10.24 * 0.99 *(0.9942)= 10.079A或高達(dá)10.24 * 1.01 * 1.0058 = 10.402A。當(dāng)然,高電壓情況將被鉗位在10.24A的指示電流,因此我們可以計(jì)算產(chǎn)生滿量程輸出代碼的實(shí)際電流:101.8mV /(0.01 * 1.01)= 10.079A;高于此值的任何電流將繼續(xù)輸出4095的代碼。
增益誤差通常不如滿量程誤差
增益誤差是理想傳遞函數(shù)與實(shí)際傳遞函數(shù)之間的斜率差異如圖6a所示。它需要沿傳遞函數(shù)計(jì)算兩個(gè)點(diǎn),最好接近端點(diǎn)以考慮整個(gè)輸入范圍。作為數(shù)據(jù)表規(guī)范,增益誤差通常不如直流電流和電壓測(cè)量的滿量程誤差有用,因?yàn)楫?dāng)偏移和滿量程誤差相等時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)零增益誤差。圖6b說(shuō)明了這一點(diǎn),它顯示了具有偏移誤差,滿量程誤差但是完美增益的器件的傳遞函數(shù)。
LTC2946電流測(cè)量應(yīng)用有四個(gè)增益誤差源。 LTC2946內(nèi)部有三個(gè):參考電壓,讀出放大器的增益為20,以及ADC本身。外部檢測(cè)電阻的容差也直接影響電流測(cè)量的增益。
LTC2946數(shù)據(jù)手冊(cè)中未單獨(dú)指定增益誤差。但是可以使用以下公式估算:增益誤差=滿量程誤差 - 偏移誤差
注意偏移和滿量程誤差的大小,增益誤差是滿量程誤差規(guī)范中的主導(dǎo)項(xiàng)。
積分非線性是傳遞函數(shù)與直線的偏差
積分非線性(INL)定義為代碼轉(zhuǎn)換與理想轉(zhuǎn)換點(diǎn)的偏差,不考慮偏移誤差和滿量程誤差,如圖7所示。
INL曲線的“形狀”由ADC的架構(gòu)決定。 LTC2946具有一階Δ-ΣADC,它傾向于產(chǎn)生INL曲線,這些曲線在不同器件之間具有相似的性質(zhì)。圖8中所示的典型INL曲線具有單個(gè)“弓形”,INL誤差在傳遞函數(shù)的中心附近逐漸建立到最大值。因此,雖然數(shù)據(jù)表規(guī)范允許器件具有最大INL誤差,但只有幾個(gè)代碼遠(yuǎn)離任一端點(diǎn),但實(shí)際器件不會(huì)以這種方式運(yùn)行。
LTC2946的影響2.5典型電流監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的LSB INL規(guī)范很小。在我們的10.24A示例應(yīng)用中,2.5LSB相當(dāng)于6.25mA,與偏移誤差相當(dāng),與161mA滿量程誤差相比無(wú)關(guān)緊要。
全部放在一起
跨度>
考慮我們?cè)陔娦虐迳系?0.24A LTC2946示例,在沒有數(shù)據(jù)處理時(shí)吸收5A,在滿負(fù)載下吸收9A。 LTC2946具有10mΩ電阻,適用于10.24A滿量程,非常適合,為更高的電流瞬變留出一些空間。如果TUE是唯一指定的誤差,對(duì)于任何輸入電流(包括由檢測(cè)電阻器產(chǎn)生的誤差),測(cè)量誤差可能高達(dá)164mA。在9A電流測(cè)量中,164mA的誤差相當(dāng)好,約為1.8%實(shí)際電流,誤差將由檢測(cè)電阻的1%容差決定。在5A時(shí),164mA誤差將代表實(shí)際電流的3.22%,仍然足以用于“健康狀態(tài)”測(cè)量。但是,如果應(yīng)用具有非常低的功耗睡眠狀態(tài)或其他工作模式,可以消耗更少的電流,那么164mA的誤差是很麻煩的。
應(yīng)用之前定義的其他規(guī)格表明測(cè)量誤差要好得多低電流下的TUE規(guī)格。電流為零時(shí),檢測(cè)電阻上的電壓為零,最大誤差將由2.1LSB的偏移規(guī)范決定。將此數(shù)字乘以25μVLSB可得到52.5μV的偏移,假設(shè)完美的檢測(cè)電阻為10mΩ,則最大誤差為5.2mA。
同樣,滿量程時(shí)出現(xiàn)的最大誤差也是有界的通過(guò)滿量程誤差并導(dǎo)致先前計(jì)算出的161mA誤差。
剩余誤差是由INL引起的,導(dǎo)致傳遞函數(shù)偏離其終點(diǎn)之間的理想直線。 LTC2946的ΔSENSE通道的INL規(guī)格為2.5LSB或62.5μV。對(duì)于10mΩ檢測(cè)電阻,這意味著5.2mA的誤差。請(qǐng)注意,INL誤差將在傳遞函數(shù)的某個(gè)位置處于最大值(參見圖8),但對(duì)于接近零或滿量程的輸入,其貢獻(xiàn)將很小。
這意味著,對(duì)于10A應(yīng)用,如果我們引入1%電阻引入的誤差,我們將測(cè)量低電流,精度約為6.3mA。小輸入的主要誤差是偏移誤差,對(duì)于較大的輸入,LTC2946的滿量程誤差和檢測(cè)電阻的容差。
圖9是由一個(gè)方便的誤差計(jì)算器電子表格生成的。文獻(xiàn)。它計(jì)算器件輸入范圍內(nèi)任何電壓可預(yù)期的最大誤差。電子表格的輸入是TUE,滿量程誤差,偏移誤差和INL。需要一個(gè)稱為“INL構(gòu)建率”的附加參數(shù)來(lái)估計(jì)INL的貢獻(xiàn)。該參數(shù)表示為傳遞函數(shù)的百分比,允許INL誤差從零刻度和滿刻度的零貢獻(xiàn)構(gòu)建到接近傳遞函數(shù)中心的最大值。輸入零值將產(chǎn)生更保守的結(jié)果;輸入值30將更接近真實(shí)LTC2946的模型。
電壓測(cè)量精度
同樣的分析也適用于電壓測(cè)量。 SENSE + / V DD 通道的0.4%TUE規(guī)格聽起來(lái)像電源輸出的良好數(shù)字;對(duì)于低壓線性穩(wěn)壓器,1%被認(rèn)為是非常精確的,并且48V電信電源的0.4%精確測(cè)量是足夠的,考慮到大多數(shù)負(fù)載將接受36V至72V。但48V大約在LTC2946的V IN 測(cè)量范圍102.4V的中間;如果0.4%TUE是唯一的規(guī)格,那么對(duì)測(cè)量的相對(duì)影響將大約是兩倍:
48V測(cè)量誤差= 0.4%*(102.4 / 48V)= 0.8%
對(duì)于48V電源仍然有效,但輸入SENSE + 的LTC2946規(guī)范/ V DD 通道和電壓表中48V的測(cè)量輸入顯示誤差約為滿量程的0.25%。
結(jié)論
Total Unadjusted Error是一個(gè)方便的精度規(guī)格,表示為單個(gè)數(shù)字。但是,了解所有精度規(guī)格對(duì)于了解整個(gè)輸入范圍內(nèi)的測(cè)量誤差至關(guān)重要。
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